Ｘ線ホログラム撮像用の試料構造体及びその製造方法。
【課題】Ｘ線ホログラム撮像用の試料構造体に、参照光が通過する実効的に小さな参照光孔を容易に形成する。
【解決手段】Ｘ線を透過する支持基板３の下面上に形成されたＸ線遮蔽層２と、遮蔽層２を貫通し底面に支持基板３を表出する透過窓５と、支持基板３上の透過窓５直上に形成された薄膜試料４と、透過窓５に入射するＸ線の可干渉長内に開設され、遮蔽層２及び支持基板３を斜めに貫通する参照光透過用の参照光孔６とを有し、垂直方向視したとき、参照光孔６の上下の開口形状６ａ、６ｂが、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体１０。
【解決手段】Ｘ線を透過する支持基板３の下面上に形成されたＸ線遮蔽層２と、遮蔽層２を貫通し底面に支持基板３を表出する透過窓５と、支持基板３上の透過窓５直上に形成された薄膜試料４と、透過窓５に入射するＸ線の可干渉長内に開設され、遮蔽層２及び支持基板３を斜めに貫通する参照光透過用の参照光孔６とを有し、垂直方向視したとき、参照光孔６の上下の開口形状６ａ、６ｂが、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線ホログラム撮像用の試料構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレント光を参照光と試料を通過する物体光とに２分割し、物体光と参照光の回折光の干渉によりホログラムを作成し、これを逆フーリェ変換して試料構造の知見を得るホログラフィー測定は、試料の微細構造の解析に広く用いられている。赤外光等の長波長光に代えてＸ線を用いるＸ線ホログラフィー測定は、Ｘ線の波長が短いため優れた分解能を有し、また試料の透過力も大きいため、とくに薄膜試料の構造、例えば半導体装置の微細構造あるいは磁性膜の磁区構造の解析に有用と期待されている。
【０００３】
しかし、現在容易に使用できるＸ線の可干渉長は赤外光に較べて短いため、入射Ｘ線を干渉性ある物体光と参照光とに分割するには、物体光と参照光とをＸ線の可干渉長内の小さな領域で、例えば数μｍ以内の領域内で分割する必要がある。
【０００４】
図１１は従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の断面図であり、薄膜試料を搭載した試料支持台の構造を表している。
【０００５】
図１１を参照して、従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体は、Ｘ線を透過する支持基板３の上面に薄膜試料４が、下面にＸ線を遮蔽する遮蔽層２が形成されている。この遮蔽層２及び支持基板３は、薄膜試料４を支持する支持台１として機能する。
【０００６】
遮蔽層２には物体光を透過する透過窓５が開設され、さらに透過窓５に近接して薄膜試料４及び支持台１を垂直に貫通する参照光孔１０６とが設けられている。そして、透過窓５上に、薄膜試料４に形成された構造（試料パターン４ａ）が形成される。Ｘ線は下 面（遮蔽層２のある側）から入射され、透過窓５を透過したＸ線が物体光となり、参照光孔を通過したＸ線が参照光となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２１０５３８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．Ｅｉｓｅｂｉｔｔ，Ｊ．Ｌｕｎｌｎｇ，Ｗ．Ｆ．Ｓｃｈｌｏｔｔｅｒ，Ｍ．Ｌｏｒｇｅｎ，Ｏ．Ｈｅｌｌｗｉｇ，Ｗ．Ｅｂｅｒｈａｒｄｔ，Ｊ．Ｓｔｏｈｒ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４３２，ｐ．８８５，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した参照光を用いるホログラフィー測定では、参照光の断面積、即ち参照光孔１０６が小さいほど再生像の分解能が高くなる。従って、小さな参照光孔１０６を形成することが望ましい。かかる参照光孔１０６は、微細加工が可能な収束イオンビーム加工法により開設されている。
【００１０】
しかし、遮蔽層２は厚いため、遮蔽層２を貫通する参照光孔１０６のアスペクト比が大きく、分解能を十分満たすまで参照光孔１０６を小さくすることは困難である。とくに分解能及び透過能を高めるため短波長Ｘ線を用いる場合、Ｘ線を十分に遮蔽するために遮蔽層２を厚くしなければならず、小さな参照光孔を開設するのは難しい。
【００１１】
本発明は、参照光を用いるホログラフィー測定に用いられる試料構造体及びその製造方法に関し、厚い遮蔽層を有する試料構造体に実効的に小さな参照光孔を開設することができる試料構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の試料構造体は、第１の観点によれば、参照光のＸ線の回折光と薄膜試料を透過したＸ線の回折光とを干渉させてＸ線ホログラムを撮像するためのＸ線ホログラム撮像用の試料構造体において、上面及び下面を主面とし、前記Ｘ線を透過する支持基板と、前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、前記支持基板の上面上に形成された前記薄膜試料と、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記試料薄膜を前記主面に対して斜めに貫通し、前記参照光を通過させる参照光孔と、を有し、前記支持基板の主面の垂直方向から見たとき、前記参照光孔の上下の開口形状が、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体として提供される。
【００１３】
また、第２の観点によれば、参照光のＸ線の回折光と薄膜試料を透過したＸ線の回折光とを干渉させてＸ線ホログラムを撮像するためのＸ線ホログラム撮像用の試料構造体において、上面及び下面を主面とし、前記Ｘ線を透過する支持基板と、前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、前記遮蔽層を貫通して形成され、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、前記支持基板の上面上に形成された前記薄膜試料と、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記試料薄膜を前記主面に対して垂直に貫通する垂直貫通孔と、前記垂直貫通孔の前記支持基板の上面側の開口を塞ぐように、前記垂直貫通孔を覆いその周辺の前記支持基板の上面上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜と、前記遮蔽薄膜を貫通し、前記参照光を通過させる参照光孔と、を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体として提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、参照光孔が斜めに形成されるので、垂直に入射するＸ線を通過させて小さな断面の参照光とすることができる。従って、実効面積が小さな透過光孔を熱い遮蔽層に容易に形成することができる。
【００１５】
また、他の観点によれば、透過光孔が、大きな垂直貫通孔上を覆う薄い遮蔽薄膜に形成されるので、容易に小さな透過光孔を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態の試料構造体の断面図
【図２】本発明の第１実施形態の試料構造体の部分拡大平面図
【図３】本発明の第１実施形態の試料構造体の製造工程断面図
【図４】本発明の第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置構成図
【図５】本発明の第２実施形態の試料構造体の断面図
【図６】本発明の第２実施形態の試料構造体の製造工程断面図
【図７】本発明の第１実施形態の再生像
【図８】本発明の第２実施形態の再生像
【図９】従来のホログラフィー測定の再生像
【図１０】従来の他のホログラフィー測定の再生像
【図１１】従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１実施形態は、斜めに貫通する透過光孔を有する試料構造体を用いたＸ線ホログラフィー測定に関する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態の試料構造体の断面図であり、透過窓と参照光孔の構造を表している。図２は本発明の第１実施形態の試料構造体の部分拡大平面図であり、図１に示す試料構造体の参照光孔を図１中の上方から見た構造を表している。
【００１９】
図１を参照して、本第１実施形態で用いた試料構造体１０は、遮蔽層２上に設けられた支持基板３からなる支持台１と、支持台１上に形成された薄膜試料４とを有する。
【００２０】
遮蔽層２は、Ｘ線ホログラフィー測定において、Ｘ線が遮蔽されたとして取り扱うことができる程度のＸ線透過率、例えは１％以下のＸ線透過率を有することが好ましい。なお、遮蔽層２を透過するＸ線はホログラフィー測定のノイズとなり測定精度を低下させるので、Ｘ線透過率は低いことが望ましい。他方、小さな断面を有する参照光孔６を容易に形成するために、遮蔽層２の層厚を薄くして参照光孔６のアスペクト比を小さくすることが好ましい。
【００２１】
このような遮蔽層２に求められる小さなＸ線透過率と薄い層厚との両方の要求を満たすため、遮蔽層２はＸ線吸収係数が大きな重金属、たとえはタンタル、タングステン、イリジウム、白金又は金を用いることが好ましい。これらの重金属からなる厚さ１μｍの遮蔽層２のＸ線透過率を、以下に示した。ここで、Ｘ線の光子エネルギーは７００ｅＶである。なお、（）内に原子番号と密度をこの順に併記した。
【００２２】
遮蔽層のＸ線透過率は、
タンタル（７３、１６．７ｇ／ｃｍ2 ）の場合は６．１２×１０-6、
タングステン（７４、１９．３ｇ／ｃｍ2 ）の場合は４．８７×１０-7、
イリジウム（７７、２２．４ｇ／ｃｍ2 ）の場合は９．３５×１０-9、
白金（７８、２１．５ｇ／ｃｍ2 ）の場合は１．２４×１０-8、
金（７９、１９．３ｇ／ｃｍ2 ））の場合は２．３５×１０-8、
である。従って、これらの重金属からなる遮蔽膜２を１〜２μｍ厚とすることで、ホログラフィー測定に十分なＸ線遮蔽がなされる。なお、第１実施形態では、遮蔽層２として、厚さ２μｍの金層を用いた。
【００２３】
遮蔽膜２には、透過窓５と参照光孔６とが設けられる。透過窓５は遮蔽膜２を貫通する例えば２．０μｍ×２．０μｍの矩形の孔からなり、その底面（図２中の支持基板３と遮蔽層２との界面側の面）に支持基板３を表出する。参照光孔６については後述する。
【００２４】
支持基板３は、その上に設けられる薄膜試料４を支持するもので、支持に必要な機械強度と高いＸ線透過率とを有する。かかる支持基板３として、例えば厚さ０．５μｍ〜５μｍのシリコン基板、厚さ０．１μｍ〜１μｍの窒化シリコンメンブレンあるいは数μｍ〜数十μｍ厚の高分子樹脂膜を用いることができる。ここでは、支持基板３として、厚さ１μｍのシリコン基板を用いた。この１μｍ厚のシリコン基板のＸ線透過率は、７００ｅＶの光子エネルギーのＸ線に対して０．３７８であり、Ｘ線ホログラフィー測定の支持基板３としてＸ線にたいする十分な透明性を有する。
【００２５】
薄膜試料４は、Ｘ線ホログラフィー測定の被測定対象であり、例えば金属薄膜、半導体薄膜或いは磁性膜により構成することができる。もちろん、Ｘ線に対して吸収又は位相変化の分布を生じさせる薄膜であれば、薄膜試料４として用いることができる。ここでは、薄膜試料４として、厚さ５０ｎｍの金属膜、例えば金膜を用い、被測定対象部分をパターニングして金属パターン４ａとした。この金属パターン４ａは、透過窓５の直上、即ち透過窓５の開口領域内に含まれる位置に形成される。また、薄膜試料４は、少なくとも透過窓５の開口領域内に形成されればよく、支持基板３上面の全面を覆う必要はない。
【００２６】
参照光孔６は、試料構造体１０を上下に斜めに貫通して開設される。即ち、参照光孔６は、試料構造体１０の上面の垂直方向からＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ角度θｘ及びθｙ傾けて開設される。ここで、Ｚ軸は試料構造体１０の上面に垂直な方向に、Ｙ軸は参照光孔６から透過窓５へ向かう方向に、Ｘ軸はＺ軸及びＹ軸に垂直な方向とした。
【００２７】
図２を参照して、試料構造体１０の上面に開口する参照光孔６の開口形状６ａと、試料構造体１０の下面に開口する参照光孔６の開口形状６ｂとは、参照光孔６の中心軸がＺ軸から角度θｘ及びθｙ傾いている分、Ｚ軸方向から見ると互いにずれている。この構造では、Ｚ軸に平行に入射するＸ線のうち、上下の開口形状が重なる重畳する領域６ｃに入射するＸ線は、遮蔽されることなく上下方向に透過する。一方、開口形状６ａ、６ｂの内部領域に入射するＸ線のうち、重畳する領域６ｃの外側に入射されたＸ線は、傾斜した参照光孔６の壁面に遮蔽され透過することができない。即ち、本第１実施形態の参照光孔６は、参照光孔６の上下の開口形状６ａ、６ｂの重畳する領域６ｃのみがＸ線を通過させる実質的な参照光孔として機能する。この重畳する領域６ｃは、参照光孔６の断面（例えば開口形状６ａ、６ｂ）に較べて小さい。このため、実際に形成された参照光孔６よりも、実効的な参照光孔６を小さくすることができる。従って、容易に微小な参照光孔６を形成することができる。
【００２８】
本第１実施形態では、参照光孔６の加工孔を０．２μｍ×０．２μｍの矩形とし、角度θｘ及びθｙを４．５度とすることで、厚さがほぼ２μｍの試料構造体１０に、０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形の重畳する領域６ｃを形成することができた。
【００２９】
上述した参照光孔６と透過窓５は、ホログラムの作成に用いられるＸ線の可干渉長の範囲に配置される。参照光孔６と透過窓５との距離が可干渉長を超えるとホログラムが作成されず、短過ぎるとホログラムから再生された像が重なり解析が困難になる。可干渉長はＸ線源により異なり、実験的に定めることが好ましい。また、像の重なりの有無は像再 生のシミュレートにより確認することができる。可干渉長と再生像の重なりとを考慮して、例えば、軌道放射光をＸ線減とする光子エネルギーが４００ｅＶ〜１２００ｅＶのＸ線の場合、透過窓５の大きさが２μｍ×２μｍでは、参照光孔６と透過窓５との距離を５μｍ程度とし、透過窓５の大きさが０．２μｍ×０．２μｍでは、参照光孔６と透過窓５との距離を１μｍ程度とすることが好ましい。本第１実施形態では、参照光孔６と透過窓５との距離を０．８μｍとした。
【００３０】
次に、本第１実施形態の試料構造体１０の製造方法を説明する。
【００３１】
図３は本発明の第１実施形態の試料構造体の製造工程断面図であり、上述した試料構造体１０の製造工程を表している。
【００３２】
図３（ａ）を参照して、本第１実施形態の試料構造体１０の製造方法では、まず、シリコン基板からなる支持基板３上面に、スパッタ又は蒸着により例えは厚さ５０ｎｍの金層からなる薄膜試料４を形成する。次いで、薄膜試料４をパターニングして、透過窓５の形成予定領域上にパターン４ａを形成した。なお、この薄膜試料４は、測定対象となる薄膜であればよく、例えば磁性膜、半導体薄膜、金属のパターンとすることができる。
【００３３】
次いで、図３（ｂ）を参照して、例えばイオンエッチングにより支持基板３の下面を全面エッチングして削除することで減膜し、厚さ１μｍの支持基板３を形成した。なお、支持基板３の厚さは、Ｘ線の透過率を考慮して、通常は厚さ０．５〜５μｍとされる。
【００３４】
次いで、図３（ｃ）を参照して、支持基板３の下面に、重金属、例えば金からなる厚さ２μｍの遮蔽層２を形成した。この遮蔽層２の形成は、例えば真空蒸着法、スパッタ法又はめっき法によりなすことができる。
【００３５】
次いで、図３（ｄ）を参照して、遮蔽層２の下面に例えばＧａの収束イオンビーム５１を照射して、遮蔽層２を貫通する透過窓５を開設する。なお、透過窓５の開設の際に遮蔽層２を完全に除去するために、透過窓５の底面に表出する支持基板３の下面をもオーバーエッチングする。他方、支持基板３の上層は残される。これにより、支持基板３上面に形成された薄膜試料４が、収束イオンビームエッチングにより損傷されることを防止する。この透過窓５の開設の終了は、例えば、２次イオン中に観測される遮蔽層２を構成する金と支持基板３を構成するシリコン原子との比により知ることができる。
【００３６】
次いで、図３（ｅ）を参照して、遮蔽層２の下面垂直方向からＸ及びＹ軸方向にそれぞれ角度θｘ及びθｙ傾いた方向から、収束イオンビームを照射して、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を斜めに貫通する参照光孔６を形成した。
【００３７】
以上の工程を経て本第１実施形態の、試料構造体１０が製造された。なお、収束イオンビームは焦点から遠ざかるにつれ断面が拡がる。このため、図２を参照して、収束イオンビームの入射側の開口６ｂが広く、反対側の開口６ａが狭くなり易い。従って、精密な参照光孔６を形成するには、収束イオンビームエッチング装置の特性を予め実験的に把握して、その特性に合わせて参照光孔６の大きさと角度θｘ及びθｙを適切に定めることが望ましい。
【００３８】
図４は本発明の第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置構成図であり、Ｘ線ホログラム撮像装置の主要な構成を表している。
【００３９】
図４を参照して、本第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置では、ＣＣＤ撮像パネル１１と試料構造体１０とが、薄膜試料４と撮像パネル１１の撮像面とを対向させて平行に配置されている。
【００４０】
試料構造体１０の下面（図４中の左方）から入射した可干渉性のＸ線１２は、一部が透過窓５及び薄膜試料４を透過して物体光１２ａ’となり、他の一部が参照光孔６を通過して参照光１２ｂ’となる。物体光１２ａ’と参照光１２ｂ’とは、それぞれ回折光１２ａ、１２ｂとして撮像パネル１１上の点Ｐに到達し干渉して、撮像パネル１１上にホログラムを作成する。
【００４１】
周知のように、撮像パネル１１上の点ＰのＸ線の電解強度Ｅｐは、薄膜試料４が設けられた試料構造体１０の表面（図４に示す薄膜試料４の右表面）におけるＸ線（物体光１２ａ’及び参照光１２ｂ’、必要ならば遮蔽層２により遮蔽される領域を通過するＸ線）の電解強度をＥｍとして、
Ｅｐ（Ｘ，Ｙ）＝（１／ｉλ）∬［Ｅｍ（ｘ，ｙ）×
×（１／ｒ）×ｅｘｐ（ｉｋｒ）×ｃｏｓα］ｄｘｄｙ （１）
と、電解強度Ｅｍ（ｘ，ｙ）のフーリェ変換として表される。ここで、Ｘ、Ｙ及びｘ、ｙはそれぞれ撮像パネル１１面内の位置座標及び試料構造体１０の表面面内の位置座標を表し、λはＸ線波長、ｋはその波数を表す。また、ｒは試料構造体１０の表面から点Ｐまでの距離、αは回折光１２ａ、１２ｂと入射Ｘ線１２とのなす角（回折角）を表し、積分範囲は試料構造体１０の全表面である。
【００４２】
さらに、（１）式は、近似式、
Ｅｐ（Ｘ，Ｙ）≒（ｅｘｐ（ｉｋＺｏ）／ｉλＺｏ）×∬［Ｅｍ（ｘ，ｙ）×
×ｅｘｐ（ｉｋ（（Ｘ−ｘ）2 ＋（Ｙ−ｙ）2 ）／２Ｚ）］ｄｘｄｙ （２）
により表される。ここで、Ｚｏは試料構造体１０の表面から撮像パネル表面までの距離を表す。
【００４３】
撮像パネル１１により記録されるホログラムは、フーリェ変換（１）式で表示される電界強度Ｅｍ（ｘ，ｙ）に従って記録される。従って、このホログラムをフーリェ逆変換することで、電解強度Ｅｍ（ｘ．ｙ）が再生像として算出される。この逆変換により算出される再生像は、Ｘ線の強度分布，即ち薄膜試料４によるＸ線の吸収分布の他、Ｘ線の位相変化、即ち薄膜試料４によるＸ線の位相変調をも再現している。なお、本第１実施形態では、逆変換は近似式（２）式を用いて、コンピュータにより計算した。
【００４４】
本発明の第２実施形態は、垂直貫通孔上を覆う薄い遮蔽薄膜に透過光孔が形成された試料構造体を用いたＸ線ホログラフィー測定に関する。
【００４５】
図５は本発明の第２実施形態の試料構造体の断面図であり、図５（ａ）は試料構造体の透過窓と参照光孔の構造を表している。また、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す試料構造体の参照光孔の構造を部分拡大図により表している。
【００４６】
図５（ａ）を参照して、本第２実施形態で用いた試料構造体２０は、遮蔽層２上に設 けられた支持基板３からなる支持台１と、支持台１上に形成された薄膜試料４とを有する。遮蔽層２には、遮蔽層２を貫通し底面に支持基板３を表出する透過窓５が開設されている。この透過窓５の直上に位置する薄膜試料４には、薄膜試料４からなる金属パターン４ａが形成されている。試料構造体２０の上述した構成は、第1 実施形態の試料構造体１０と同様である。
【００４７】
本第２実施形態の試料構造体２０は、参照光孔９とその下に開設される垂直貫通孔７とに関して第１実施形態の試料構造体１０と異なる。
【００４８】
図５（ａ）及び（ｂ）を参照して、本第２実施形態の試料構造体２０では、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を試料構造体２０の上下面に垂直に貫通する垂直貫通孔７が設けられる。この垂直貫通孔７は、収束イオンビームエッチングにより形成可能な大きさの断面、例えば０．２μｍ×０．２μｍの正方形状に開設される。この垂直貫通孔７は、第１実施形態と同様の位置（透過窓５との位置関係）に形成され、その形状は、従来の試料構造体１１０の参照光孔１０６と同様にすることができる。
【００４９】
この垂直貫通孔７の開口上面を覆い、開口周辺の薄膜試料４上に延在する金属膜からなる遮蔽薄膜８が設けられている。この遮蔽薄膜８は、例えば遮蔽層２と同じく重金属からなり、遮蔽層２より薄い、例えば遮蔽層２の１０分の１程度の厚さの薄膜とする。従って、遮蔽薄膜８は入射Ｘ線を遮蔽層２程には遮蔽することができず、Ｘ線はある程度透過する。
【００５０】
さらに、遮蔽薄膜８に、垂直貫通孔７より小さな、例えば０．０４μｍ×０．０４μｍの正方形断面形状の、遮蔽薄膜８を貫通する参照光孔９が設けられる。この参照光孔９は遮蔽層２より薄い遮蔽薄膜８に開設されるから、遮蔽層２に直接開設するよりも膜厚が薄い分、参照光孔９のアスペクト比が小さい。従って、遮蔽層２に開設する従来の参照光孔１０６と較べて、容易に小さな参照光孔９を形成することができる。例えば、従来、遮蔽層２に０．２μｍ×０．２μｍの参照光孔１０６が開設可能な場合、同じ遮蔽層２材料を用いその１０分の１の厚さの遮蔽薄膜８を形成することで、遮蔽薄膜８に０．０２μｍ×０．０２μｍの参照光孔１０６を開設することができる。
【００５１】
本第２実施形態の試料構造体２０では、参照光孔９の周囲の遮蔽薄膜はある程度Ｘ線を透過する。しかし、Ｘ線を透過する遮蔽薄膜８の面積は垂直貫通光孔７により制限される。また、遮蔽薄膜８の厚さも遮蔽層２の１０分の１程度とされる。この程度の厚さと面積とを有する遮蔽薄膜８を通過するＸ線は、これを無視しても、ホログラフィー測定に問題とされる程の大きな精度の劣化を生じない。もちろん、逆フーリェ変換の際に、遮蔽薄膜８を通過するＸ線を計算対象として精度を向上することもできる。
【００５２】
次に、上述した本第２実施形態の試料構造体２０の製造方法を説明する。
【００５３】
図６は本発明の第２実施形態の試料構造体の製造工程断面図であり、試料構造体２０の製造工程を表している。
【００５４】
図６（ａ）を参照して、本第２実施形態の試料構造体２０の製造工程では、まず、支持基板３の上面に金属パターン４ａが形成された薄膜試料４を形成し、その後、支持基板３の下面に遮蔽層２を形成し、遮蔽層２を貫通する透過窓５を開設する。この工程終了時の試料構造体２０の構造及び材料は、図３（ｄ）に示す第１実施形態の試料構造体１０と同様である。
【００５５】
次いで、図６（ｂ）を参照して、透過窓５の近傍に、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を垂直に貫通する垂直貫通孔７を開設する。この垂直貫通孔７は、第１実施形態の試料構造体１０の参照光孔６と同じ位置に形成した。また、垂直貫通孔７は、遮蔽層２の下面から、遮蔽層２の下面に垂直に収束イオンビーム５１を照射して形成することができる。なお、垂直貫通孔７は加工可能な限り小さい断面とすることが、ホログラフィー測定の精度の観点から好ましい。
【００５６】
次いで、図６（ｃ）を参照して、垂直貫通孔７が開口する近傍の薄膜試料４の上面にＣＶＤ（化学的気相堆積法）の原料ガスを供給しつつ、垂直貫通孔７の近傍に、薄膜試料４の上方から電子ビーム又はイオンビーム５２を照射した。この電子ビーム又はイオンビーム５２は、原料ガスを励起し垂直貫通孔７の上端開口の近傍に金属（例えばＡｕ）を析出する。この析出した金属は、垂直貫通孔７の上端開口の周囲から垂直貫通孔７の上端開口を塞ぐように堆積し、垂直貫通孔７を塞ぐ例えば厚さ０．１μｍの遮蔽薄膜８が形成される。
【００５７】
次いで、図６（ｄ）を参照して、再び収束イオンビーム５１を用いて、遮蔽薄膜８を貫通する例えば０．０４μｍ角の参照光孔９を形成した。既述のように、遮蔽薄膜８の厚さは薄いので、かかる微細な参照光孔９を容易に開設することができる。以上の工程を経て、本第２実施形態の試料構造体２０が製造された。
【００５８】
以下、上述した本発明の試料構造体１０、２０を用いたホログラフィー測定の評価結果を説明する。
【００５９】
このホログラフィー測定の評価は、本発明の試料構造体１０、２０を用いてホログラムを撮像し、そのホログラムをフーリェ逆変換して再生像を作成し、再生像と試料パターン４ａとを比較することで行った。なお、ホログラムの撮像はＣＣＤ撮像装置を用いて撮像し、フーリェ逆変換はパーソナルコンピュータを用いて計算した。
【００６０】
図７は本発明の第１実施形態の再生像であり、第１実施形態の試料構造体１０を用いて撮像したホログラムを、フーリェ逆変換して作成した再生像を表している。図８は、本発明の第２実施形態の再生像であり、第２実施形態の試料構造体２０を用いて撮像したホログラムを、フーリェ逆変換して作成した再生像を表している。なお、図７（ａ）及び図８（ａ）は試料パターン４ａを表し、図７（ｂ）及び図８（ｂ）は再生像を表している。再生像の中心の矩形の図形（白抜きの図形）は０次の回折像であり、その左側の試料パターン４ａと同じ配列の白抜きの図形は実像であり、左側の上下逆向きに配列する白抜きの図形は虚像である。
【００６１】
本ホログラフィー測定の評価では、試料パターン４ａとして、図７（ａ）及び図８（ａ）を参照して、Ａｕからなる薄膜試料４に開設されたスリット状の開口を用いた。この試料パターン４ａはＹ軸およびＸ軸方向の長さがそれぞれ、２００ｎｍ×２００ｎｍ、１００ｎｍ×２００ｎｍ、８０ｎｍ×２００ｎｍ、６０ｎｍ×２００ｎｍ、４０ｎｍ×２００ｎｍ、２０ｎｍ×２００ｎｍ、の６個の矩形状の開口からなる。
【００６２】
図７（ａ）及び図８（ｂ）を参照して、第１実施形態の試料構造体１０を用いたホログラム再生像は、試料パターン４ａに形成された短辺が２００ｎｍから２０ｎｍまでの６個の開口を全て再現している。即ち、２０ｎｍ以下の解像度を有している。
【００６３】
ここで評価された第１実施形態の試料構造体１０は、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形（正方形）の参照光孔６を有する。なお、この参照光孔６の実効的な大きさ（試料構造体１０に垂直入射するＸ線が透過する大きさ）は、０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形（正方形）である。また、第２実施形態の試 料構造体２０は、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形（正方形）の参照光孔９を有する。
【００６４】
図９は従来のホログラフィー測定の再生像であり、透過窓５から５０μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形の参照光孔１０６を有する従来の試料構造体１１０を用いて撮像されたホログラムの再生像を表している。また、図１０は従来の他のホログラフィー測定の再生像であり、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形の参照光孔１０６を有する従来の他の試料構造体１１０を用いて撮像されたホログラムの再生像を表している。なお、図９（ａ）及び図１０（ａ）は試料パターン４ａを、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は再生像を表している。
【００６５】
図９を参照して、透過窓５と参照光孔１０６との距離が５０μｍと離れた場合、再生像は再現されない。これは、透過窓５と参照光孔１０６とが離れすぎ、透過窓５を通過する物体光１２ａ’と、参照光孔１０６を通過する参照光１２ｂ’との可干渉性が少ないためである。
【００６６】
一方、図１０を参照して、透過窓５と参照光孔６との距離を第１及び第２実施形態と同じく０．８μｍとした従来の他の試料構造体１０６を用いた場合、不鮮明な再生像が作成された。これは、透過窓５と参照光孔６とが可干渉長内にあること、及び、参照光孔１０６の実効断面形状が０．２μｍ×０．２μｍと大きなため、ホログラフィー測定の精度が劣化したことを示している。
【００６７】
上述したように、第１及び第２実施形態の試料構造体１０、２０は、従来の試料構造体１１０に較べて実効的に小さな参照光孔６、９を有するため、これらを用いたホログラフィー測定では精密な再生像を作成することができる。
【００６８】
また、第１実施形態の試料構造体１０は、容易に形成できる比較的大きな参照光孔６を斜めに形成することで、実効的に小さな参照光孔６として機能する参照光孔６を容易に形成することができる。さらに、第２実施形態の試料構造体２０では、薄い遮蔽薄膜８に参照光孔９を形成するので、小さな参照光孔９を容易に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明を薄膜磁性体、半導体薄膜又は半導体装置の配線のホログラフィー測定に用いられる試料の支持構造体に適用することで、精度の高いホログラフィー測定を実現することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 支持台
２ 遮蔽層
３ 支持基板
４ 薄膜試料
４ａ パターン
５ 透過窓
６、９、１０６ 参照光孔
６ａ、６ｂ 開口形状
６ｃ 重畳する領域
７ 垂直貫通孔
８ 遮蔽薄膜
１０、２０、１１０ 試料構造体
１１ 撮像パネル
１２ 入射Ｘ線
１２ａ、１２ｂ 回折光
１２ａ’ 物体光
１２ｂ’ 参照光
５１ 収束イオンビーム
５２ イオンビーム
５３ 反応ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線ホログラム撮像用の試料構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コヒーレント光を参照光と試料を通過する物体光とに２分割し、物体光と参照光の回折光の干渉によりホログラムを作成し、これを逆フーリェ変換して試料構造の知見を得るホログラフィー測定は、試料の微細構造の解析に広く用いられている。赤外光等の長波長光に代えてＸ線を用いるＸ線ホログラフィー測定は、Ｘ線の波長が短いため優れた分解能を有し、また試料の透過力も大きいため、とくに薄膜試料の構造、例えば半導体装置の微細構造あるいは磁性膜の磁区構造の解析に有用と期待されている。
【０００３】
しかし、現在容易に使用できるＸ線の可干渉長は赤外光に較べて短いため、入射Ｘ線を干渉性ある物体光と参照光とに分割するには、物体光と参照光とをＸ線の可干渉長内の小さな領域で、例えば数μｍ以内の領域内で分割する必要がある。
【０００４】
図１１は従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の断面図であり、薄膜試料を搭載した試料支持台の構造を表している。
【０００５】
図１１を参照して、従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体は、Ｘ線を透過する支持基板３の上面に薄膜試料４が、下面にＸ線を遮蔽する遮蔽層２が形成されている。この遮蔽層２及び支持基板３は、薄膜試料４を支持する支持台１として機能する。
【０００６】
遮蔽層２には物体光を透過する透過窓５が開設され、さらに透過窓５に近接して薄膜試料４及び支持台１を垂直に貫通する参照光孔１０６とが設けられている。そして、透過窓５上に、薄膜試料４に形成された構造（試料パターン４ａ）が形成される。Ｘ線は下 面（遮蔽層２のある側）から入射され、透過窓５を透過したＸ線が物体光となり、参照光孔を通過したＸ線が参照光となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２１０５３８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．Ｅｉｓｅｂｉｔｔ，Ｊ．Ｌｕｎｌｎｇ，Ｗ．Ｆ．Ｓｃｈｌｏｔｔｅｒ，Ｍ．Ｌｏｒｇｅｎ，Ｏ．Ｈｅｌｌｗｉｇ，Ｗ．Ｅｂｅｒｈａｒｄｔ，Ｊ．Ｓｔｏｈｒ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４３２，ｐ．８８５，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した参照光を用いるホログラフィー測定では、参照光の断面積、即ち参照光孔１０６が小さいほど再生像の分解能が高くなる。従って、小さな参照光孔１０６を形成することが望ましい。かかる参照光孔１０６は、微細加工が可能な収束イオンビーム加工法により開設されている。
【００１０】
しかし、遮蔽層２は厚いため、遮蔽層２を貫通する参照光孔１０６のアスペクト比が大きく、分解能を十分満たすまで参照光孔１０６を小さくすることは困難である。とくに分解能及び透過能を高めるため短波長Ｘ線を用いる場合、Ｘ線を十分に遮蔽するために遮蔽層２を厚くしなければならず、小さな参照光孔を開設するのは難しい。
【００１１】
本発明は、参照光を用いるホログラフィー測定に用いられる試料構造体及びその製造方法に関し、厚い遮蔽層を有する試料構造体に実効的に小さな参照光孔を開設することができる試料構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の試料構造体は、第１の観点によれば、参照光のＸ線の回折光と薄膜試料を透過したＸ線の回折光とを干渉させてＸ線ホログラムを撮像するためのＸ線ホログラム撮像用の試料構造体において、上面及び下面を主面とし、前記Ｘ線を透過する支持基板と、前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、前記支持基板の上面上に形成された前記薄膜試料と、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記試料薄膜を前記主面に対して斜めに貫通し、前記参照光を通過させる参照光孔と、を有し、前記支持基板の主面の垂直方向から見たとき、前記参照光孔の上下の開口形状が、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体として提供される。
【００１３】
また、第２の観点によれば、参照光のＸ線の回折光と薄膜試料を透過したＸ線の回折光とを干渉させてＸ線ホログラムを撮像するためのＸ線ホログラム撮像用の試料構造体において、上面及び下面を主面とし、前記Ｘ線を透過する支持基板と、前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、前記遮蔽層を貫通して形成され、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、前記支持基板の上面上に形成された前記薄膜試料と、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記試料薄膜を前記主面に対して垂直に貫通する垂直貫通孔と、前記垂直貫通孔の前記支持基板の上面側の開口を塞ぐように、前記垂直貫通孔を覆いその周辺の前記支持基板の上面上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜と、前記遮蔽薄膜を貫通し、前記参照光を通過させる参照光孔と、を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体として提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、参照光孔が斜めに形成されるので、垂直に入射するＸ線を通過させて小さな断面の参照光とすることができる。従って、実効面積が小さな透過光孔を熱い遮蔽層に容易に形成することができる。
【００１５】
また、他の観点によれば、透過光孔が、大きな垂直貫通孔上を覆う薄い遮蔽薄膜に形成されるので、容易に小さな透過光孔を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態の試料構造体の断面図
【図２】本発明の第１実施形態の試料構造体の部分拡大平面図
【図３】本発明の第１実施形態の試料構造体の製造工程断面図
【図４】本発明の第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置構成図
【図５】本発明の第２実施形態の試料構造体の断面図
【図６】本発明の第２実施形態の試料構造体の製造工程断面図
【図７】本発明の第１実施形態の再生像
【図８】本発明の第２実施形態の再生像
【図９】従来のホログラフィー測定の再生像
【図１０】従来の他のホログラフィー測定の再生像
【図１１】従来のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１実施形態は、斜めに貫通する透過光孔を有する試料構造体を用いたＸ線ホログラフィー測定に関する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態の試料構造体の断面図であり、透過窓と参照光孔の構造を表している。図２は本発明の第１実施形態の試料構造体の部分拡大平面図であり、図１に示す試料構造体の参照光孔を図１中の上方から見た構造を表している。
【００１９】
図１を参照して、本第１実施形態で用いた試料構造体１０は、遮蔽層２上に設けられた支持基板３からなる支持台１と、支持台１上に形成された薄膜試料４とを有する。
【００２０】
遮蔽層２は、Ｘ線ホログラフィー測定において、Ｘ線が遮蔽されたとして取り扱うことができる程度のＸ線透過率、例えは１％以下のＸ線透過率を有することが好ましい。なお、遮蔽層２を透過するＸ線はホログラフィー測定のノイズとなり測定精度を低下させるので、Ｘ線透過率は低いことが望ましい。他方、小さな断面を有する参照光孔６を容易に形成するために、遮蔽層２の層厚を薄くして参照光孔６のアスペクト比を小さくすることが好ましい。
【００２１】
このような遮蔽層２に求められる小さなＸ線透過率と薄い層厚との両方の要求を満たすため、遮蔽層２はＸ線吸収係数が大きな重金属、たとえはタンタル、タングステン、イリジウム、白金又は金を用いることが好ましい。これらの重金属からなる厚さ１μｍの遮蔽層２のＸ線透過率を、以下に示した。ここで、Ｘ線の光子エネルギーは７００ｅＶである。なお、（）内に原子番号と密度をこの順に併記した。
【００２２】
遮蔽層のＸ線透過率は、
タンタル（７３、１６．７ｇ／ｃｍ2 ）の場合は６．１２×１０-6、
タングステン（７４、１９．３ｇ／ｃｍ2 ）の場合は４．８７×１０-7、
イリジウム（７７、２２．４ｇ／ｃｍ2 ）の場合は９．３５×１０-9、
白金（７８、２１．５ｇ／ｃｍ2 ）の場合は１．２４×１０-8、
金（７９、１９．３ｇ／ｃｍ2 ））の場合は２．３５×１０-8、
である。従って、これらの重金属からなる遮蔽膜２を１〜２μｍ厚とすることで、ホログラフィー測定に十分なＸ線遮蔽がなされる。なお、第１実施形態では、遮蔽層２として、厚さ２μｍの金層を用いた。
【００２３】
遮蔽膜２には、透過窓５と参照光孔６とが設けられる。透過窓５は遮蔽膜２を貫通する例えば２．０μｍ×２．０μｍの矩形の孔からなり、その底面（図２中の支持基板３と遮蔽層２との界面側の面）に支持基板３を表出する。参照光孔６については後述する。
【００２４】
支持基板３は、その上に設けられる薄膜試料４を支持するもので、支持に必要な機械強度と高いＸ線透過率とを有する。かかる支持基板３として、例えば厚さ０．５μｍ〜５μｍのシリコン基板、厚さ０．１μｍ〜１μｍの窒化シリコンメンブレンあるいは数μｍ〜数十μｍ厚の高分子樹脂膜を用いることができる。ここでは、支持基板３として、厚さ１μｍのシリコン基板を用いた。この１μｍ厚のシリコン基板のＸ線透過率は、７００ｅＶの光子エネルギーのＸ線に対して０．３７８であり、Ｘ線ホログラフィー測定の支持基板３としてＸ線にたいする十分な透明性を有する。
【００２５】
薄膜試料４は、Ｘ線ホログラフィー測定の被測定対象であり、例えば金属薄膜、半導体薄膜或いは磁性膜により構成することができる。もちろん、Ｘ線に対して吸収又は位相変化の分布を生じさせる薄膜であれば、薄膜試料４として用いることができる。ここでは、薄膜試料４として、厚さ５０ｎｍの金属膜、例えば金膜を用い、被測定対象部分をパターニングして金属パターン４ａとした。この金属パターン４ａは、透過窓５の直上、即ち透過窓５の開口領域内に含まれる位置に形成される。また、薄膜試料４は、少なくとも透過窓５の開口領域内に形成されればよく、支持基板３上面の全面を覆う必要はない。
【００２６】
参照光孔６は、試料構造体１０を上下に斜めに貫通して開設される。即ち、参照光孔６は、試料構造体１０の上面の垂直方向からＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ角度θｘ及びθｙ傾けて開設される。ここで、Ｚ軸は試料構造体１０の上面に垂直な方向に、Ｙ軸は参照光孔６から透過窓５へ向かう方向に、Ｘ軸はＺ軸及びＹ軸に垂直な方向とした。
【００２７】
図２を参照して、試料構造体１０の上面に開口する参照光孔６の開口形状６ａと、試料構造体１０の下面に開口する参照光孔６の開口形状６ｂとは、参照光孔６の中心軸がＺ軸から角度θｘ及びθｙ傾いている分、Ｚ軸方向から見ると互いにずれている。この構造では、Ｚ軸に平行に入射するＸ線のうち、上下の開口形状が重なる重畳する領域６ｃに入射するＸ線は、遮蔽されることなく上下方向に透過する。一方、開口形状６ａ、６ｂの内部領域に入射するＸ線のうち、重畳する領域６ｃの外側に入射されたＸ線は、傾斜した参照光孔６の壁面に遮蔽され透過することができない。即ち、本第１実施形態の参照光孔６は、参照光孔６の上下の開口形状６ａ、６ｂの重畳する領域６ｃのみがＸ線を通過させる実質的な参照光孔として機能する。この重畳する領域６ｃは、参照光孔６の断面（例えば開口形状６ａ、６ｂ）に較べて小さい。このため、実際に形成された参照光孔６よりも、実効的な参照光孔６を小さくすることができる。従って、容易に微小な参照光孔６を形成することができる。
【００２８】
本第１実施形態では、参照光孔６の加工孔を０．２μｍ×０．２μｍの矩形とし、角度θｘ及びθｙを４．５度とすることで、厚さがほぼ２μｍの試料構造体１０に、０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形の重畳する領域６ｃを形成することができた。
【００２９】
上述した参照光孔６と透過窓５は、ホログラムの作成に用いられるＸ線の可干渉長の範囲に配置される。参照光孔６と透過窓５との距離が可干渉長を超えるとホログラムが作成されず、短過ぎるとホログラムから再生された像が重なり解析が困難になる。可干渉長はＸ線源により異なり、実験的に定めることが好ましい。また、像の重なりの有無は像再 生のシミュレートにより確認することができる。可干渉長と再生像の重なりとを考慮して、例えば、軌道放射光をＸ線減とする光子エネルギーが４００ｅＶ〜１２００ｅＶのＸ線の場合、透過窓５の大きさが２μｍ×２μｍでは、参照光孔６と透過窓５との距離を５μｍ程度とし、透過窓５の大きさが０．２μｍ×０．２μｍでは、参照光孔６と透過窓５との距離を１μｍ程度とすることが好ましい。本第１実施形態では、参照光孔６と透過窓５との距離を０．８μｍとした。
【００３０】
次に、本第１実施形態の試料構造体１０の製造方法を説明する。
【００３１】
図３は本発明の第１実施形態の試料構造体の製造工程断面図であり、上述した試料構造体１０の製造工程を表している。
【００３２】
図３（ａ）を参照して、本第１実施形態の試料構造体１０の製造方法では、まず、シリコン基板からなる支持基板３上面に、スパッタ又は蒸着により例えは厚さ５０ｎｍの金層からなる薄膜試料４を形成する。次いで、薄膜試料４をパターニングして、透過窓５の形成予定領域上にパターン４ａを形成した。なお、この薄膜試料４は、測定対象となる薄膜であればよく、例えば磁性膜、半導体薄膜、金属のパターンとすることができる。
【００３３】
次いで、図３（ｂ）を参照して、例えばイオンエッチングにより支持基板３の下面を全面エッチングして削除することで減膜し、厚さ１μｍの支持基板３を形成した。なお、支持基板３の厚さは、Ｘ線の透過率を考慮して、通常は厚さ０．５〜５μｍとされる。
【００３４】
次いで、図３（ｃ）を参照して、支持基板３の下面に、重金属、例えば金からなる厚さ２μｍの遮蔽層２を形成した。この遮蔽層２の形成は、例えば真空蒸着法、スパッタ法又はめっき法によりなすことができる。
【００３５】
次いで、図３（ｄ）を参照して、遮蔽層２の下面に例えばＧａの収束イオンビーム５１を照射して、遮蔽層２を貫通する透過窓５を開設する。なお、透過窓５の開設の際に遮蔽層２を完全に除去するために、透過窓５の底面に表出する支持基板３の下面をもオーバーエッチングする。他方、支持基板３の上層は残される。これにより、支持基板３上面に形成された薄膜試料４が、収束イオンビームエッチングにより損傷されることを防止する。この透過窓５の開設の終了は、例えば、２次イオン中に観測される遮蔽層２を構成する金と支持基板３を構成するシリコン原子との比により知ることができる。
【００３６】
次いで、図３（ｅ）を参照して、遮蔽層２の下面垂直方向からＸ及びＹ軸方向にそれぞれ角度θｘ及びθｙ傾いた方向から、収束イオンビームを照射して、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を斜めに貫通する参照光孔６を形成した。
【００３７】
以上の工程を経て本第１実施形態の、試料構造体１０が製造された。なお、収束イオンビームは焦点から遠ざかるにつれ断面が拡がる。このため、図２を参照して、収束イオンビームの入射側の開口６ｂが広く、反対側の開口６ａが狭くなり易い。従って、精密な参照光孔６を形成するには、収束イオンビームエッチング装置の特性を予め実験的に把握して、その特性に合わせて参照光孔６の大きさと角度θｘ及びθｙを適切に定めることが望ましい。
【００３８】
図４は本発明の第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置構成図であり、Ｘ線ホログラム撮像装置の主要な構成を表している。
【００３９】
図４を参照して、本第１実施形態のＸ線ホログラム撮像装置では、ＣＣＤ撮像パネル１１と試料構造体１０とが、薄膜試料４と撮像パネル１１の撮像面とを対向させて平行に配置されている。
【００４０】
試料構造体１０の下面（図４中の左方）から入射した可干渉性のＸ線１２は、一部が透過窓５及び薄膜試料４を透過して物体光１２ａ’となり、他の一部が参照光孔６を通過して参照光１２ｂ’となる。物体光１２ａ’と参照光１２ｂ’とは、それぞれ回折光１２ａ、１２ｂとして撮像パネル１１上の点Ｐに到達し干渉して、撮像パネル１１上にホログラムを作成する。
【００４１】
周知のように、撮像パネル１１上の点ＰのＸ線の電解強度Ｅｐは、薄膜試料４が設けられた試料構造体１０の表面（図４に示す薄膜試料４の右表面）におけるＸ線（物体光１２ａ’及び参照光１２ｂ’、必要ならば遮蔽層２により遮蔽される領域を通過するＸ線）の電解強度をＥｍとして、
Ｅｐ（Ｘ，Ｙ）＝（１／ｉλ）∬［Ｅｍ（ｘ，ｙ）×
×（１／ｒ）×ｅｘｐ（ｉｋｒ）×ｃｏｓα］ｄｘｄｙ （１）
と、電解強度Ｅｍ（ｘ，ｙ）のフーリェ変換として表される。ここで、Ｘ、Ｙ及びｘ、ｙはそれぞれ撮像パネル１１面内の位置座標及び試料構造体１０の表面面内の位置座標を表し、λはＸ線波長、ｋはその波数を表す。また、ｒは試料構造体１０の表面から点Ｐまでの距離、αは回折光１２ａ、１２ｂと入射Ｘ線１２とのなす角（回折角）を表し、積分範囲は試料構造体１０の全表面である。
【００４２】
さらに、（１）式は、近似式、
Ｅｐ（Ｘ，Ｙ）≒（ｅｘｐ（ｉｋＺｏ）／ｉλＺｏ）×∬［Ｅｍ（ｘ，ｙ）×
×ｅｘｐ（ｉｋ（（Ｘ−ｘ）2 ＋（Ｙ−ｙ）2 ）／２Ｚ）］ｄｘｄｙ （２）
により表される。ここで、Ｚｏは試料構造体１０の表面から撮像パネル表面までの距離を表す。
【００４３】
撮像パネル１１により記録されるホログラムは、フーリェ変換（１）式で表示される電界強度Ｅｍ（ｘ，ｙ）に従って記録される。従って、このホログラムをフーリェ逆変換することで、電解強度Ｅｍ（ｘ．ｙ）が再生像として算出される。この逆変換により算出される再生像は、Ｘ線の強度分布，即ち薄膜試料４によるＸ線の吸収分布の他、Ｘ線の位相変化、即ち薄膜試料４によるＸ線の位相変調をも再現している。なお、本第１実施形態では、逆変換は近似式（２）式を用いて、コンピュータにより計算した。
【００４４】
本発明の第２実施形態は、垂直貫通孔上を覆う薄い遮蔽薄膜に透過光孔が形成された試料構造体を用いたＸ線ホログラフィー測定に関する。
【００４５】
図５は本発明の第２実施形態の試料構造体の断面図であり、図５（ａ）は試料構造体の透過窓と参照光孔の構造を表している。また、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す試料構造体の参照光孔の構造を部分拡大図により表している。
【００４６】
図５（ａ）を参照して、本第２実施形態で用いた試料構造体２０は、遮蔽層２上に設 けられた支持基板３からなる支持台１と、支持台１上に形成された薄膜試料４とを有する。遮蔽層２には、遮蔽層２を貫通し底面に支持基板３を表出する透過窓５が開設されている。この透過窓５の直上に位置する薄膜試料４には、薄膜試料４からなる金属パターン４ａが形成されている。試料構造体２０の上述した構成は、第1 実施形態の試料構造体１０と同様である。
【００４７】
本第２実施形態の試料構造体２０は、参照光孔９とその下に開設される垂直貫通孔７とに関して第１実施形態の試料構造体１０と異なる。
【００４８】
図５（ａ）及び（ｂ）を参照して、本第２実施形態の試料構造体２０では、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を試料構造体２０の上下面に垂直に貫通する垂直貫通孔７が設けられる。この垂直貫通孔７は、収束イオンビームエッチングにより形成可能な大きさの断面、例えば０．２μｍ×０．２μｍの正方形状に開設される。この垂直貫通孔７は、第１実施形態と同様の位置（透過窓５との位置関係）に形成され、その形状は、従来の試料構造体１１０の参照光孔１０６と同様にすることができる。
【００４９】
この垂直貫通孔７の開口上面を覆い、開口周辺の薄膜試料４上に延在する金属膜からなる遮蔽薄膜８が設けられている。この遮蔽薄膜８は、例えば遮蔽層２と同じく重金属からなり、遮蔽層２より薄い、例えば遮蔽層２の１０分の１程度の厚さの薄膜とする。従って、遮蔽薄膜８は入射Ｘ線を遮蔽層２程には遮蔽することができず、Ｘ線はある程度透過する。
【００５０】
さらに、遮蔽薄膜８に、垂直貫通孔７より小さな、例えば０．０４μｍ×０．０４μｍの正方形断面形状の、遮蔽薄膜８を貫通する参照光孔９が設けられる。この参照光孔９は遮蔽層２より薄い遮蔽薄膜８に開設されるから、遮蔽層２に直接開設するよりも膜厚が薄い分、参照光孔９のアスペクト比が小さい。従って、遮蔽層２に開設する従来の参照光孔１０６と較べて、容易に小さな参照光孔９を形成することができる。例えば、従来、遮蔽層２に０．２μｍ×０．２μｍの参照光孔１０６が開設可能な場合、同じ遮蔽層２材料を用いその１０分の１の厚さの遮蔽薄膜８を形成することで、遮蔽薄膜８に０．０２μｍ×０．０２μｍの参照光孔１０６を開設することができる。
【００５１】
本第２実施形態の試料構造体２０では、参照光孔９の周囲の遮蔽薄膜はある程度Ｘ線を透過する。しかし、Ｘ線を透過する遮蔽薄膜８の面積は垂直貫通光孔７により制限される。また、遮蔽薄膜８の厚さも遮蔽層２の１０分の１程度とされる。この程度の厚さと面積とを有する遮蔽薄膜８を通過するＸ線は、これを無視しても、ホログラフィー測定に問題とされる程の大きな精度の劣化を生じない。もちろん、逆フーリェ変換の際に、遮蔽薄膜８を通過するＸ線を計算対象として精度を向上することもできる。
【００５２】
次に、上述した本第２実施形態の試料構造体２０の製造方法を説明する。
【００５３】
図６は本発明の第２実施形態の試料構造体の製造工程断面図であり、試料構造体２０の製造工程を表している。
【００５４】
図６（ａ）を参照して、本第２実施形態の試料構造体２０の製造工程では、まず、支持基板３の上面に金属パターン４ａが形成された薄膜試料４を形成し、その後、支持基板３の下面に遮蔽層２を形成し、遮蔽層２を貫通する透過窓５を開設する。この工程終了時の試料構造体２０の構造及び材料は、図３（ｄ）に示す第１実施形態の試料構造体１０と同様である。
【００５５】
次いで、図６（ｂ）を参照して、透過窓５の近傍に、遮蔽層２、支持基板３及び薄膜試料４を垂直に貫通する垂直貫通孔７を開設する。この垂直貫通孔７は、第１実施形態の試料構造体１０の参照光孔６と同じ位置に形成した。また、垂直貫通孔７は、遮蔽層２の下面から、遮蔽層２の下面に垂直に収束イオンビーム５１を照射して形成することができる。なお、垂直貫通孔７は加工可能な限り小さい断面とすることが、ホログラフィー測定の精度の観点から好ましい。
【００５６】
次いで、図６（ｃ）を参照して、垂直貫通孔７が開口する近傍の薄膜試料４の上面にＣＶＤ（化学的気相堆積法）の原料ガスを供給しつつ、垂直貫通孔７の近傍に、薄膜試料４の上方から電子ビーム又はイオンビーム５２を照射した。この電子ビーム又はイオンビーム５２は、原料ガスを励起し垂直貫通孔７の上端開口の近傍に金属（例えばＡｕ）を析出する。この析出した金属は、垂直貫通孔７の上端開口の周囲から垂直貫通孔７の上端開口を塞ぐように堆積し、垂直貫通孔７を塞ぐ例えば厚さ０．１μｍの遮蔽薄膜８が形成される。
【００５７】
次いで、図６（ｄ）を参照して、再び収束イオンビーム５１を用いて、遮蔽薄膜８を貫通する例えば０．０４μｍ角の参照光孔９を形成した。既述のように、遮蔽薄膜８の厚さは薄いので、かかる微細な参照光孔９を容易に開設することができる。以上の工程を経て、本第２実施形態の試料構造体２０が製造された。
【００５８】
以下、上述した本発明の試料構造体１０、２０を用いたホログラフィー測定の評価結果を説明する。
【００５９】
このホログラフィー測定の評価は、本発明の試料構造体１０、２０を用いてホログラムを撮像し、そのホログラムをフーリェ逆変換して再生像を作成し、再生像と試料パターン４ａとを比較することで行った。なお、ホログラムの撮像はＣＣＤ撮像装置を用いて撮像し、フーリェ逆変換はパーソナルコンピュータを用いて計算した。
【００６０】
図７は本発明の第１実施形態の再生像であり、第１実施形態の試料構造体１０を用いて撮像したホログラムを、フーリェ逆変換して作成した再生像を表している。図８は、本発明の第２実施形態の再生像であり、第２実施形態の試料構造体２０を用いて撮像したホログラムを、フーリェ逆変換して作成した再生像を表している。なお、図７（ａ）及び図８（ａ）は試料パターン４ａを表し、図７（ｂ）及び図８（ｂ）は再生像を表している。再生像の中心の矩形の図形（白抜きの図形）は０次の回折像であり、その左側の試料パターン４ａと同じ配列の白抜きの図形は実像であり、左側の上下逆向きに配列する白抜きの図形は虚像である。
【００６１】
本ホログラフィー測定の評価では、試料パターン４ａとして、図７（ａ）及び図８（ａ）を参照して、Ａｕからなる薄膜試料４に開設されたスリット状の開口を用いた。この試料パターン４ａはＹ軸およびＸ軸方向の長さがそれぞれ、２００ｎｍ×２００ｎｍ、１００ｎｍ×２００ｎｍ、８０ｎｍ×２００ｎｍ、６０ｎｍ×２００ｎｍ、４０ｎｍ×２００ｎｍ、２０ｎｍ×２００ｎｍ、の６個の矩形状の開口からなる。
【００６２】
図７（ａ）及び図８（ｂ）を参照して、第１実施形態の試料構造体１０を用いたホログラム再生像は、試料パターン４ａに形成された短辺が２００ｎｍから２０ｎｍまでの６個の開口を全て再現している。即ち、２０ｎｍ以下の解像度を有している。
【００６３】
ここで評価された第１実施形態の試料構造体１０は、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形（正方形）の参照光孔６を有する。なお、この参照光孔６の実効的な大きさ（試料構造体１０に垂直入射するＸ線が透過する大きさ）は、０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形（正方形）である。また、第２実施形態の試 料構造体２０は、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．０４μｍ×０．０４μｍの矩形（正方形）の参照光孔９を有する。
【００６４】
図９は従来のホログラフィー測定の再生像であり、透過窓５から５０μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形の参照光孔１０６を有する従来の試料構造体１１０を用いて撮像されたホログラムの再生像を表している。また、図１０は従来の他のホログラフィー測定の再生像であり、透過窓５から０．８μｍ離れた位置に開設された０．２μｍ×０．２μｍの矩形の参照光孔１０６を有する従来の他の試料構造体１１０を用いて撮像されたホログラムの再生像を表している。なお、図９（ａ）及び図１０（ａ）は試料パターン４ａを、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は再生像を表している。
【００６５】
図９を参照して、透過窓５と参照光孔１０６との距離が５０μｍと離れた場合、再生像は再現されない。これは、透過窓５と参照光孔１０６とが離れすぎ、透過窓５を通過する物体光１２ａ’と、参照光孔１０６を通過する参照光１２ｂ’との可干渉性が少ないためである。
【００６６】
一方、図１０を参照して、透過窓５と参照光孔６との距離を第１及び第２実施形態と同じく０．８μｍとした従来の他の試料構造体１０６を用いた場合、不鮮明な再生像が作成された。これは、透過窓５と参照光孔６とが可干渉長内にあること、及び、参照光孔１０６の実効断面形状が０．２μｍ×０．２μｍと大きなため、ホログラフィー測定の精度が劣化したことを示している。
【００６７】
上述したように、第１及び第２実施形態の試料構造体１０、２０は、従来の試料構造体１１０に較べて実効的に小さな参照光孔６、９を有するため、これらを用いたホログラフィー測定では精密な再生像を作成することができる。
【００６８】
また、第１実施形態の試料構造体１０は、容易に形成できる比較的大きな参照光孔６を斜めに形成することで、実効的に小さな参照光孔６として機能する参照光孔６を容易に形成することができる。さらに、第２実施形態の試料構造体２０では、薄い遮蔽薄膜８に参照光孔９を形成するので、小さな参照光孔９を容易に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明を薄膜磁性体、半導体薄膜又は半導体装置の配線のホログラフィー測定に用いられる試料の支持構造体に適用することで、精度の高いホログラフィー測定を実現することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 支持台
２ 遮蔽層
３ 支持基板
４ 薄膜試料
４ａ パターン
５ 透過窓
６、９、１０６ 参照光孔
６ａ、６ｂ 開口形状
６ｃ 重畳する領域
７ 垂直貫通孔
８ 遮蔽薄膜
１０、２０、１１０ 試料構造体
１１ 撮像パネル
１２ 入射Ｘ線
１２ａ、１２ｂ 回折光
１２ａ’ 物体光
１２ｂ’ 参照光
５１ 収束イオンビーム
５２ イオンビーム
５３ 反応ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面を主面とし、Ｘ線を透過する支持基板と、
前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、
．前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、
前記支持基板の上面上に形成された薄膜試料と、
前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記薄膜試料を前記主面に対して斜めに貫通し、参照光を通過させる参照光孔と、を有し、
前記支持基板の主面の垂直方向から見たとき、前記参照光孔の上下の開口形状が、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項２】
上面及び下面を主面とし、Ｘ線を透過する支持基板と、
前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、
．前記遮蔽層を貫通して形成され、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、
前記支持基板の上面上に形成された薄膜試料と、
前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層及び前記支持基板を前記主面に対して垂直に貫通する垂直貫通孔と、
前記垂直貫通孔の開口を塞ぐように、前記垂直貫通孔を覆いその周辺の前記支持基板又は前記遮蔽層上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜と、
前記遮蔽薄膜を貫通し、参照光を通過させる参照光孔と、
を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項３】
前記薄膜試料は前記支持基板の上面上の、前記透過窓の直上に形成され、
前記参照光孔は前記遮蔽層及び前記支持基板を貫通して形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項４】
前記薄膜試料は前記支持基板の上面上の、前記透過窓の直上に形成され、
前記垂直貫通孔は前記遮蔽層及び前記支持基板を貫通して形成されている、
ことを特徴とする請求項２記載のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項５】
上面及び下面を主面とする支持基板の上面上に、被測定用の薄膜試料を形成する工程と、
次いで、前記支持基板の下面を削除して、前記支持基板をＸ線が透過する厚さに減厚する工程と、
次いで、前記支持基板の下面上に前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層を形成する工程と、
前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓を開設する工程と、
前記遮蔽層の下面に垂直に収束イオンビームを照射して、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に，前記遮蔽層、前記支持基板及び前記薄膜試料を貫通する垂直貫通孔を開設する工程と、
次いで、前記薄膜試料又は前記遮蔽層上に原料ガスを供給し、前記垂直貫通孔の近傍に電子ビーム又はイオンビームを照射する化学的気相堆積法を用いて、前記垂直貫通孔の開口を覆いその周辺の前記薄膜試料又は前記遮蔽層上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜を形成する工程と、
次いで、前記遮蔽薄膜に垂直に収束イオンビームを照射して、前記遮蔽薄膜を貫通し、参照光を通過させる参照光孔を形成する工程と、
を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の製造方法。
【請求項１】
上面及び下面を主面とし、Ｘ線を透過する支持基板と、
前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、
．前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、
前記支持基板の上面上に形成された薄膜試料と、
前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層、前記支持基板及び前記薄膜試料を前記主面に対して斜めに貫通し、参照光を通過させる参照光孔と、を有し、
前記支持基板の主面の垂直方向から見たとき、前記参照光孔の上下の開口形状が、一部重畳するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項２】
上面及び下面を主面とし、Ｘ線を透過する支持基板と、
前記支持基板の下面上に形成された、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層と、
．前記遮蔽層を貫通して形成され、底面に前記支持基板を表出する透過窓と、
前記支持基板の上面上に形成された薄膜試料と、
前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に開設され、前記遮蔽層及び前記支持基板を前記主面に対して垂直に貫通する垂直貫通孔と、
前記垂直貫通孔の開口を塞ぐように、前記垂直貫通孔を覆いその周辺の前記支持基板又は前記遮蔽層上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜と、
前記遮蔽薄膜を貫通し、参照光を通過させる参照光孔と、
を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項３】
前記薄膜試料は前記支持基板の上面上の、前記透過窓の直上に形成され、
前記参照光孔は前記遮蔽層及び前記支持基板を貫通して形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項４】
前記薄膜試料は前記支持基板の上面上の、前記透過窓の直上に形成され、
前記垂直貫通孔は前記遮蔽層及び前記支持基板を貫通して形成されている、
ことを特徴とする請求項２記載のＸ線ホログラム撮像用の試料構造体。
【請求項５】
上面及び下面を主面とする支持基板の上面上に、被測定用の薄膜試料を形成する工程と、
次いで、前記支持基板の下面を削除して、前記支持基板をＸ線が透過する厚さに減厚する工程と、
次いで、前記支持基板の下面上に前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽層を形成する工程と、
前記遮蔽層を貫通し、底面に前記支持基板を表出する透過窓を開設する工程と、
前記遮蔽層の下面に垂直に収束イオンビームを照射して、前記透過窓に入射する前記Ｘ線の可干渉長内の領域に，前記遮蔽層、前記支持基板及び前記薄膜試料を貫通する垂直貫通孔を開設する工程と、
次いで、前記薄膜試料又は前記遮蔽層上に原料ガスを供給し、前記垂直貫通孔の近傍に電子ビーム又はイオンビームを照射する化学的気相堆積法を用いて、前記垂直貫通孔の開口を覆いその周辺の前記薄膜試料又は前記遮蔽層上に延在する前記遮蔽層より薄いＸ線遮蔽材料からなる遮蔽薄膜を形成する工程と、
次いで、前記遮蔽薄膜に垂直に収束イオンビームを照射して、前記遮蔽薄膜を貫通し、参照光を通過させる参照光孔を形成する工程と、
を有するＸ線ホログラム撮像用の試料構造体の製造方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２０９０４３（Ｐ２０１１−２０９０４３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５７７４（Ｐ２０１０−７５７７４）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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